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气候变化和人类活动对径流的影响和输沙量太综合区分自己的贡献。我们开发一种新方法来评估人类活动的影响,基于成对年类似的降水和土壤水分蒸发蒸腾损失总量₀使用55年月度数据)条件(规范)的气候,径流,泥沙负载在1958 - 2012年在京河Zhangjiashan水文站,中国黄土高原。成对时期的规范被定义为类似的年度数量(差异小于2.0%)和类似的过程(月度数据的线性相关性低于0.05)可以设置一个前提修复的可能影响气候的因素。径流拒绝在所有九年配对,但输沙量和浓度减少7(78%)和6(67%)配对年,分别。可用数据的进一步分析土地利用和土地覆盖(LUC)、归一化植被指数(NDVI)和水土保持措施在这个盆地和结果可以解释人类活动的影响。该方法可以结合使用传统方法在水文研究。

1。介绍

水流和泥沙负载提供有用的信息不仅水土流失和泥沙交付发生在一个盆地1),但也对河流健康的关键因素。径流和输沙量变化的主要原因与自然气候变化和人类活动(如土地利用变化和大坝建设),造成重大的改变,许多河流的径流和输沙量,如尼罗河(2),科罗拉多河(3),和长江4和黄河5]。土地利用变化的反射表面微形貌变化的人类活动。它对区域土壤退化具有重要影响,包括土壤侵蚀和土壤酸化。近年来,许多研究已经进行了估计潜在的土地利用变化对土壤侵蚀的影响。特林布尔[6)发现,在密西西比河流域的土壤侵蚀率降低配合改善实践的土壤保护和管理。一些研究人员(7,8发现土地利用变化的影响,大坝在沉积物和频道形态学检查。几项研究[8- - - - - -13)表明,一个重要的景观格局变化对流域产沙量的影响。Garcia-Ruiz和Lana-Renault14)表示,土地覆盖变化对水土流失的影响,泥沙输送和水文响应在欧洲。科斯塔et al。15)发现,约30%的森林砍伐的盆地诱导24%的年平均流量的增加。福利等。16)表示,土地利用变化修改拦截和渗透影响地表径流和地下水流动。降雨是导致水土流失的主要动力因素。鑫et al。17]研究降雨侵蚀力的时空变化特征对中国黄土高原。最近的研究(18,19]发现沉积物收益率可能将降雨量的变化而变化。因此,径流和输沙量的变化,是由于自然气候变化和人类活动已成为水文研究的关键问题之一,形成了理解这些模式变化的基础形式。当前研究径流和输沙量是基于比较(20.,21)或建模分析(19,22]。虽然这两种方法协助理解径流和输沙量的变化,有很大的差异之间的理论和参数的方法。例如,降雨径流和rainfall-sediment统计模型仍然是有争议的分不同的过渡点径流和输沙量时间序列的人类活动的影响,导致不同的分裂时期表现出不同的结果(23,24]。此外,尽管径流和放电的机制是清晰的在分布式水文模型(25- - - - - -28),有很大的空间差异模型参数及其选择太变量。当前的模型不考虑降水和蒸发的变化全面分裂时期。理解的影响气候变化和人类活动对径流和输沙量减少对模型参数选择的不确定性,提高评估的准确性的影响,我们必须选择一个研究时期,气候特征是相似的。一旦观察到这个前提,可变性的特征可以在一种有意义的方式进行研究。基于数据从京河流域,中国,本研究的目标显示放电和产沙量从京河不同过去55年,定量评估气候和人为因素之间影响径流和输沙量讨论对流域管理的影响。

2。数据和方法

2.1。研究区域

京河,长455.1公里,是第二长的支流渭河,黄河的二级支流。京河流域(面积45421公里²)坐落在黄土高原的中心(34°46′-37°19′N, 106°14′-108°42′E)。盆地包含30个县,在宁夏回族自治区(宁夏)和甘肃、陕西省份。高达4.3%的面积是山区,41.7%由黄土高原和破碎的高原和黄土丘陵沟壑区是黄土地区48.8%。盆地包含几个骨折腰带和植被。该地区的数字高程模型(DEM)和河流位于盆地如图1。水土流失的面积已经达到了近73%的总土地覆盖,使盆地的黄土高原的水土流失地区和黄河粗泥沙的重要来源。该地区黄土深(50 - 80米)层。粒子成分主要是细沙,淤泥(总数的50%),和粘土。黄土孔隙度高,容易发生山体滑坡。土壤是典型的黑壤土土松散的结构,很容易退化(29日]。

京河流域的气候是大陆性季风,平均年降水量从400到600毫米,年平均气温从8.0到10.0°C (30.]。

研究从Zhangjiashan获得水文数据测量站(zh型,34°38′N, 108°36 E′),控制43216公里²分水岭,占流域总面积的95.15%。平均年径流量和输沙量是15.966亿米³和2.148亿吨,分别从1958年到2012年。平均含沙量为163公斤米⁻³(中国水利部2013)。

2.2。数据

我们使用了可共享的23个国家气候站的日常数据(除了山站)内部和周围(一个缓冲区域盆地120公里)以外的国家气象信息中心的研究领域(NMIC),但是我们分析了诱导月度数据摘要(图1)。每月降水数据包括(毫米),最高温度(TMX,°C),最低温度(TMN,°C)、相对湿度(RH, %),风速(WS, m s⁻¹),日照时间(SD h)从1958年到2012年。数据集被NMIC质量保证。我们进行进一步的常规质量评估和纠错程序描述的数据后方法彼得森et al。31日]。缺失值是罕见的1968年(在某些个月降水数据从一个站,几个月不见了1967年和1970年之间风速数据缺失四个站),是取代估计从多元回归预测的值之间的关系建立了五和高度相关车站附近32]。京河流域的潜在蒸散计算使用Penman-Monteith方法推荐的粮食及农业组织(粮农组织)33]。潜在蒸散和降水空间平均月度记录的基础上站上游的zh型使用空间插值方法。年潜在蒸散和降水(a.pptn)被月累积。年度流速及流水量(毫米³)和输沙量在zh型(Mt)数据从1958年到2012年获得中国河流水流和泥沙公报、水利部、中国(MWR)。

全球库存监测和建模研究(GIMMS)归一化植被指数(NDVI)数据集来自NOAA先进的高分辨率辐射计(AVHRR) (http://www.noaa.gov,数据集被下载http://westdc.westgis.ac.cn),它提供了信息每月陆地植被的变化从1981年8月到2006年12月。1981年,由于不完整的数据,我们使用数据从1982年到2006年。GIMMS数据是基于一个15天的间隔空间分辨率(8公里34]。数据集已经纠正了太阳天顶角的变化,扭曲造成的云层,传感器相互校准差异,太阳天顶角和视角的影响,火山气溶胶,缺失数据在北半球冬季,和较低的信号噪声比。进一步消除影响的云、大气和太阳高度角,我们使用国际通用的最大值复合材料(mvc)技术来计算每月最大归一化植被指数(35),从GIMMS选择在每个像素最高的归一化植被指数NDVI(15天时间间隔)36]。在研究区植被是最发达的生产的6月到9月期间。植被的变化通常是小从10月到下面的可能。NDVI值的四个生产月最能反映植被的长期变化在一年。因此,每年6月到9月的归一化植被指数计算使用mvc方法和这个值作为指标的年度植被生长的研究区域。

土地利用和土地覆盖(LUC)数据获得了地球系统科学数据共享的基础设施的国家科学数据共享平台(http://www2.geodata.cn/)。LUC包括5个数字地图从1980年开始,1985年、1996年和2000年到2005年。地图规模为1985、1996和2000年1:100000年和250000年1:1980年和2005年。这一系列的地图描述了卢克的变化。大比例尺地图被用来评估总随着时间而改变,但他们不显示的精细信息和细节,特别是人口密集的地方。分类过程是基于图像判读与实地调查相结合。卢克数据分为以下六大类根据刘37]。

研究区域包括以下类别:森林,主要代表土地,一棵树或shrub-crown面密度(树冠郁闭百分比)的10%或更多,以及幼儿园和果园,农田包括旱作和灌溉农田,下盖农林土地主要用于粮食种植,和新培养河河漫滩存在了三年,草原,主要是由草,草的混合物,和灌木或树,但树覆盖的不到10%,组合土地集约使用由结构组成的地区包括城市、城镇、村庄,沿着高速公路的地带,交通,电力,和通信设施,湿地水体区域组成的自然湿地,如沼泽、湖泊、河流和水的工程结构,包括水库和新建的水坝,和贫瘠的土地指有限的支持生命的能力,如砂或岩石,植被通常小于5%。

我们获得了水土保持的数据,从1960年到1999年的黄河水土保持资料整理,编制的上部和中部黄河局在2010年根据现场实地调查和措施。数据涵盖京河流域的一些基本特征,以及生物保护测量如人造森林,种草、和山坡上关闭(自然恢复区几乎没有从人类活动破坏),和结构措施,如梯田、水库、大坝、检查沟控制和关键项目。

2.3。原则和方法

为了评估人类对气候影响京河流域,下面的原则和方法。

2.3.1。原则

的水平衡可以表示为分水岭 在哪里区域降水,从其他水域的水输入,蓄水工程结构的变化,如水库、地表径流,地下径流,是土壤蓄水,是实际蒸散。

考虑到具体的研究区域的水文地质条件,没有水从这个研究领域的其他水域和输入可以忽略;有一个厚的土层,深水表(38),和小补给地下径流从有限的渗透39),被认为是大约0;几乎没有在京河流域植被,表层土壤的渗透能力弱,infiltration-excess降雨所产生的地表径流主要特点是强降雨强度高,时间短(40),因此可以忽略;水库的水主要是人的日常生活的需求和供应可以被认为是人类的影响。因此,从一个漫长的过程,1)可以简化 在哪里区域降水,是地表径流,是实际蒸散。考虑 在哪里是实际蒸散,是系数,潜在蒸散。在充足的水供应,和。我们假设不会改变对同一土地下类似的天气条件和植被变化引起的人类可以改变吗。我们分析在这项研究中,而不是这意味着比自然进化的变化越快也是人类活动的结果。

2.3.2。粮农组织Penman-Monteith方法

联合国粮农组织Penman-Monteith (PM)方法来估算蒸散(毫米的天⁻¹)被视为一个全球标准和由FAO-56给出报告33]。在这项研究中,每月潜在蒸散计算根据艾伦et al。33]。每月潜在蒸散被乘法计算当月的天数。

2.3.3。空间插值方法

空间插值方法是为特定的数据类型或开发一个特定的变量(41,42]。在这项研究中,因此,我们选择了简单克里格(SK)空间插值方法计算空间平均降水和潜在蒸散京河流域,因为SK最低根均方误差(RMSE)中最受欢迎的空间插值方法的12(见补充材料1在网上补充材料http://dx.doi.org/10.1155/2015/478739)。

2.3.4。趋势检测

参数和非参数方法在hydroclimatic领域成功地开发和应用分析,因为它们能够检测物理生态元素之间的关系(43- - - - - -45]。然而,他们需要比其他方法更详细的数据,这可能是很难提供,以及清晰的过程的描述,这可能尚未被开发(20.]。在这项研究中,线性回归法用于检测降水趋势,潜在蒸散,径流和输沙量。

2.3.5。类似的气候条件分析

因为LUC数据只能从1980年起,不涵盖所有年,因为降水径流的主要来源和侵蚀的主要驱动力,配对时间与降水和潜在蒸散条件(规范)被选为了便于分析46,47]。定义配对时间规范应用下列条件:两年应该有不同的年降水量不足2%;潜在蒸散应该相差不到2%;和两年应该超过五年。因为自然地貌和植被的演化很缓慢,径流和输沙量变化一双规范主要是由人类活动引起的。应用上述条件,我们选择了9双年。重要的是要强调这种方法假定天气条件类似的基于年度平均和总数。这对研究区是一个重要的假设,因为众所周知,次降雨事件可以贡献大约60%到90%的年度总降雨量(48]。虽然个别降雨事件更功能描述降雨径流和泥沙的影响一代的影响区域,降雨非常不均匀的空间,很难用数据事件在整个盆地。降水和的月度数据是理性的抽象两年类似的气候条件在区域范围内。

2.3.6。LUC变化分析

领域的每个类别的5个地图计算了地理信息系统的土地利用变化过程在几个部分。吕克·改变矩阵被用来说明土地利用和覆盖的变化从1980年到2005年基于LUC地图。

2.3.7。景观指标分析

在这项研究中,12个常见的景观指标提出了(8,9,49]。三种类型的景观指标(破碎、形状和多样性)与Fragstats模型计算(50]。分析了五个指标(数量1个5)来描述景观功能的补丁级别(表1)。除了这些指标,八个指标(数量5-number 12)被添加在景观层面上(49,51,52]。

3所示。结果

3.1。径流和输沙量的统计

径流的统计数据,输沙量、含沙量、降水和潜在蒸散如表所示2。年平均径流量、含沙量、输沙量是1596.6毫米³163.3公斤米⁻³,分别和214.8吨。最大和最小值之间的差异对每个变量大。1964年的径流是2009年的5.96倍;泥沙浓度在1977年的15.49倍,在2011年和1964年的输沙量是2011年的25.29倍。径流系数的变异(CVs),含沙量、输沙量分别为0.421,0.478和0.708,分别显示,径流和泥沙变化是高度不稳定的。

3.2。降水变化和潜在蒸散

潜在蒸散和降水是主要的气象变量影响径流和泥沙。降水是水土流失和泥沙交付的驱动力,以及水源径流和土壤水分在这个地区。京河流域的年平均降雨量和潜在蒸散是503.7毫米和943.4毫米,分别(表2)。最大的一个。pptn(781.3毫米)在1964年最低的2.21倍。pptn(353.4毫米),1997年的简历。pptn是0.194。最高记录是1997年潜在蒸散(1046.7毫米)在1964年被记录的最低价值的1.32倍(792.1毫米),较低的简历为0.060。降水和潜在蒸散比径流更稳定,含沙量、输沙量。

3.3。径流和输沙量的趋势

一年一度的泥沙浓度没有显著的趋势在研究期间()。年径流量和输沙量有显著的线性下降趋势在过去55年(图2)。平均年径流量和输沙量的下降速度是23.07毫米³年⁻¹和4.23太年⁻¹,分别。有显著的()年度径流和输沙量之间的同步变化。

3.4。降水和潜在蒸散的趋势

年降水量下降(在研究期间),而年潜在蒸散没有明显的趋势(图3)。

3.5。降水和两年之间规范

九年对基于相似的气候条件(表3)从1960年代到2000年代,和每一对多年的区别的数量从8 - 40岁不等。在一个的区别。pptn和介于2.0 - -7.6毫米和16.0−-16.8毫米之间,分别从配对的绝对值年(表3),在一个的区别。pptn和相对价值的配对年介于0.37 - -1.38%之间和−1.71 - -1.84%,分别。

3.6。对年径流和输沙量与规范

规范分析径流变化的()、输沙量()和含沙量(SC)如表所示4。在规范,之后的一年不到的前两年。有一个总体下降的趋势,这是在协议与统计结果(图2)。七(1、2、3、4、5、8、9)的9双显示减少和六(1、3、4、5、8和9)九对SC减少。当比较晚一年与今年早些时候在每一对六(1、3、4、5、8、9)的9个显示减少、SC、;两个(6和7)减少和一个增加SC和;和一个- SC,但积极的吗和。的振幅,之间,SC配对年范围内−42.06 -54.72%,−806.47 -83.90%,分别和−827.27 -77.52%。的,,对SC 3中最戏剧性的变化显示,9双,振幅的,SC−31.17%,−806.47%,分别和−827.27%。

3.7。卢克和归一化植被指数变化的一个例子对5

因为成对年降水和潜在蒸散是相似的,影响,和SC可以主要归因于人类活动。我们选择5与径流、输沙量和含沙量振幅的54.72%,83.90%,和74.17%,分别为例,应用LUC数字地图的数据从1980年和2005年进一步确认规范方法的适用性分析人类活动对河流的径流和输沙量。LUC不仅是全球环境变化的重要组成部分和最直接的形式的人类活动之一,也是全球环境变化的主要原因。土地利用变化可以直接影响地表径流,流域径流收益率(15,53]。图4提供了一个可视化表示的LUC上游古银在1980年和2005年。不变LUC面积的比例在这个时间段是97.48%,而2.52%的改变了。从1980年到2005年的可变性不同LUC类型如图5,与森林、耕地和草地占98.10%以上的整个地区。在研究期间,森林覆盖面积偶尔从35.84万年的1980公顷增加到38.3万公顷,2005年6.84%的转换整个地区森林超过25年。草原地区第一次从203.01万年的1980公顷下降到195.8万年的1985公顷,然后从1996年的196.52万公顷增加到203.57万年的2005公顷。用作耕地面积间歇性地从189.11万年的1980公顷下降到185.15万年的2005公顷,然后从1985年到1996年增加了9300公顷。建设用地面积增加到原来的1.5倍大小,因为密集的住房和基础设施建设;然而,在2005年还不到4万公顷。大约92%的人口密集的地方从耕地转换。实际的湿地面积变化和水体(图5在研究期间)不到2300公顷。归类为贫瘠的土地面积改变了不到0250公顷在研究期间,除了在1996年达到峰值7800公顷。

一个矩阵基于LUC zh型上游地区开发的变化显示不同类型的土地使用类别之间的变化在1980年和2005年(表5)。我们发现1.818万公顷、1350公顷、0030公顷、0030公顷的森林变成了草地,耕地、建设用地、水体,分别的草原和1.116万公顷和3.299万公顷耕地变成森林。在同一时期,6500公顷、0700公顷、0080公顷草原变成了耕地,建设用地和湿地,分别和水体。

空间配置的土地覆盖也影响沉积物源和水槽之间的连接,沉积物运输能力是不同的不同的土地覆盖类型(10,11,13]。大部分的土地利用空间格局发生了小变化在整个研究期间,除了LSI的耕地和荒地和对位的湿地水体增加(补充材料2)。高LSI和帕拉表明更分散的土地利用模式与不同土地利用的孤立的小块。因此,尽管变化的净额之间的主要土地利用系统(即。,forest, grassland, and arable land) was relatively small, the spatial distribution and fragmentation of the LUC systems changed significantly.

绿色植物材料的归一化植被指数是一个敏感的指标和一个地区的植被指数(54],它直接影响到水产量和输沙量。考虑到可用性的数据归一化植被指数,我们分析了归一化植被指数数据在1982年和2005年对5。1982年和2005年的年平均归一化植被指数分别为0.398和0.431,分别。归一化植被指数降低了27.56%,增加了72.44%的地区。植被增加主要集中在上游和中游的京河(图6),这可能是主要原因在京河流域径流减少(55]。

3.8。水土保持工程

除了土地使用和归一化植被指数的变化,工程也可能影响径流、输沙量和含沙量的京河。根据水土保持数据编译的黄河流域(表6),有94 zh型水库上游地区,与36岁,20岁,和38水库在宁夏、甘肃、陕西,分别。总面积由水库是8870.4公里²。淤积测量的量是572.4毫米³,20.4毫米³,17.1毫米³在水库、冲沟的关键项目控制,分别检查大坝。使用泥沙干容重的1.35 t m⁻³(56],估计有823.3吨沉积物,或在考虑20.58吨/年40年期间实现的开始到1999年,这个地区淤塞,因此没有进入京河。这是一个价值远低于平均每年214.8吨的运输从京河流域输沙量(表2)。淤积的总量(823.3吨),或年平均(20.58吨/年),或许可以解释输沙量的减少趋势图2。此外,覆盖区域种植森林和草原相当大,到1999年,362.45,89.64,82.78,和28.523万公顷的乔木,灌木,经济树木,分别和草(水土保持数据编译的黄河流域)。这些地区的土壤和水控制功能因此密切相关植被覆盖率、水土流失和土地覆盖率超过70%会好控制57]。

3.9。原因减少径流和输沙量

的可变性在京河流域径流和泥沙如上所示。一个相对较小的降雨和含沙量减少,并增加相对较小,使径流和输沙量显著减少。土地利用变化数据表明,流域的主要变化,发生在由森林面积的增加和耕地的减少,这将影响径流和侵蚀。此外,植被的增加也将影响径流和侵蚀。最后,如部分所示3所示。8水土保持工程措施也被大量沉积物的否则将会达到京河流域的出口。

4所示。讨论

在本文中,我们选择离散时间基于类似的气候条件来分析人类活动对径流和侵蚀的影响。这样,我们保证降水的相对一致性,而产生径流和侵蚀,也提高了数据分析的客观性和准确性,因此结果。与传统水文方法相比,我们的方法不使用独特的水文系列划分研究期间的过渡点,这可以避免分歧产生的“影响”的不同划分水文系列时期(23,24]。在规范下,径流和输沙量的变化在流域水文控制站可以被视为人类的直接影响,这可以用来解释结果与传统的统计分析,和避免校准的影响[分布式水文模型的关键参数25- - - - - -28]。此外,我们的方法(规范方法)的结果可以比较和验证结果从分布式水文模型,他们可以提高我们理解人为影响径流和侵蚀。

京河年径流的结果有明显下降趋势在研究期间符合前研究[23,55,58,59]。另一个原因是94年调节水库(23,59]。此外,“雨水收集项目”中实现渭河盆地也导致了自1996年以来减少径流;建造了二百万个小水池收集雨水来提供饮用水和灌溉;近6×10⁶米³每年降水水收集,包括降雨的降雨事件,没有产生径流(60]。含沙量有相对较小的减少在研究期间。这样做的原因可以解释为流域景观格局变化(61年]。虽然净额主要土地利用系统之间的变化相对较小,空间分布和碎片的LUC系统显著改变。这些结果比得上前研究[8,9]这也可以解释为什么径流和泥沙减少。这些发现对流域综合管理有重要影响。

有两种可供选择的方案为分析人类活动的影响分析方法使用类似的天气条件。首先是考虑人类活动对径流的影响和侵蚀的影响作为一个整体,而不是区分不同的人类活动。如果有更多的数据是可用的,不同类型的活动的影响,如灌溉、工业用水量可以在径流和输沙量。第二个选择是要考虑相同的人类活动发生在成对的年净变化对径流和侵蚀而不是一个新的影响,这使得它更容易描述人类活动的影响之间的配对。

在黄土高原,主要的地表径流和侵蚀产生暴雨的特点是强度高,时间短。当数据的规模和时间是一样的,类似的气候条件分析方法也可以应用于日常分析。此外,阈值的选择是灵活的。阈值越小,成对年越少,越好结果的准确性。最后,如果更多的水文数据,如土壤水分储存和地下径流,可用,这类似的天气条件的结果的准确性分析方法将会改善。因为地质过程的复杂性,有明显的缺点,比如缺乏机制在这个方法在描述地理位置的变化。如果更多的方法,比如模型模拟,结合相似天气条件分析,这将有助于澄清的可变性的特点和影响因素,水文和沉积的元素。

5。结论

河流径流和输沙量大大减少在过去55年。降水有显著下降和一个小,统计上不显著,增加潜在蒸散。有一个重要的()年径流和年度输沙量之间的变化同步。

九年对选择从1960年代到2000年代使用规范方法。显示所有成对的年径流和输沙量减少减少7的9双。这些结果与趋势检测到回归分析一致。这意味着减少静河流域的输沙量引起的人类活动发生在大部分时间研究。的程度减少径流和输沙量引起的人类活动与时间相比。,径流和输沙量的变化所引起的人类活动是不同的在不同的两年。

人类与LUC变化的影响和水土保持措施在盆地重要。不仅有改变的倾斜的农田到非食品作物植被或可耕种的梯田,但823.3吨泥沙收集检查后面水库和水坝在1960 - 1999。土地利用变化分析表明,整体面积的变化主要土地利用系统相对较小。然而,各种土地利用的空间分布和碎片类发生了重大的变化在过去的几十年。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(41171420),中国科学院的主要研究项目(KZZD-EW-04),中国科学院的西光基础(2013-165-04)和国家重点基础研究专项基金(2014 fy210100)。

补充材料